Veículo com ampliador de autonomia MAHLE

Usando um motor de combustão interna como um ampliador de autonomia, trens de força movidos a bateria em veículos de passeio podem conquistar uma autonomia que seja comparável àquela dos trens de força convencionais. O ampliador de autonomia pode, assim, tornar-se um caminho para aplicações de série mais amplas em veículos com sistemas de acionamento elétrico. Atualmente, a MAHLE está pesquisando esta tecnologia de trem de força usando um motor de combustão interna como ampliador de autonomia e um veículo de demonstração, ambos desenvolvidos internamente.

Como base para o veículo de demonstração com propulsão elétrica e ampliador de autonomia (Range Extended Electric Vehicle – REEV ou, em tradução livre, veículo elétrico com ampliador de autonomia), a MAHLE selecionou um veículo com propulsão convencional do segmento B. As principais razões para esta decisão foram que as estimativas do mercado para powertrains com ampliador de autonomia e um perfil de usuário típico inclui trajetos diários em cidades e estradas na faixa de 50 a 80 km, além dos desafios relacionados ao empacotamento. Aqui, torna-se particularmente útil a compacta e flexível posição de instalação do motor ampliador de autonomia da MAHLE.

O projeto de dois cilindros em linha com gerador integrado torna o ampliador de autonomia significativamente menor que o motor de 4 cilindros em linha, de 1.2 litros, instalado no veículo base. Graças ao pacote extremamente compacto do motor de tração elétrica de 55 kW (100 kW de pico) e da transmissão redutora de duas velocidades, todos os principais componentes de acionamento (incluindo o inversor e as unidades de controle), exceto a bateria de alta voltagem, foram facilmente acomodadas no front-end do veículo.

A proximidade direta do motor de combustão interna com os componentes de acionamento elétrico no já apertado espaço de instalação do front-end requer a integração de circuitos separados de arrefecimento. A típica temperatura do refrigerante de 90ºC do motor de combustão interna não deve afetar o nível de temperatura significativamente mais baixa do circuito de arrefecimento do motor elétrico (cerca de 40ºC), o que se consegue por meio de isolamento. A estratégia de arrefecimento do radiador principal no veículo de demonstração é baseada nos requisitos de cada um dos circuitos individuais. Quando é necessário arrefecimento adicional em um circuito, ele recebe prioridade total na interação entre os dois circuitos.

Fundamentalmente, o powertrain elétrico foi projetado para permitir que o veículo de demonstração atenda ou exceda o desempenho de condução do veículo base, exceto pela velocidade máxima. Também foi importante demonstrar que a configuração de acionamento não requer que se sacrifique o volume de carga. A bateria de alta voltagem, com 14 kWh de capacidade de armazenamento – é instalada abaixo do piso, no recesso da roda sobressalente, sem afetar o espaço de carga ou o compartimento dos passageiros. Além disso, o tanque de combustível de aproximadamente 45 litros do veículo base foi reduzido quase pela metade, chegando a 25 litros.

 

A MAHLE otimizou a estratégia de operação do ampliador de autonomia para o consumo mínimo de combustível na operação de condução, ao mesmo tempo em que atende aos limites para emissões de escape, ruído e vibrações. Para isso, as variações na velocidade de rotação dentro de um ciclo de combustão foram reduzidas tanto quanto possível nos primeiros estágios de desenvolvimento, minimizando assim o esforço de aplicação requerido para o motor. O controle dinâmico de carga do gerador e uma seleção apropriada dos pontos de operação proporcionam uma base muito boa. Como se mostrou em extensivos testes de partida a frio, no NEDC os pontos de operação com carga parcial a baixas velocidades são o melhor compromisso entre as baixas emissões de gases de escape (aproximadamente 30% dos limites da Euro 6) e o consumo de combustível.

Com base na atual legislação europeia aplicável a emissões de gases, para se obter os menores valores de emissão de CO2 em motores elétricos com ampliadores de autonomia (e com os assim chamados veículos híbridos em geral), a autonomia puramente elétrica deve ser maximizada ao mesmo tempo em que o ampliador de autonomia não deve sobrecarregar a bateria. Assumindo que a potência elétrica é derivada de fontes “renováveis” de energia (vento, água ou solar), qualquer energia remanescente na bateria no final de um trajeto seria contra-produtiva do ponto de vista do CO2. Uma estratégia operacional para o REEV que otimiza o consumo do combustível somente aciona o ampliador de autonomia quando o nível de carga baixa da bateria for atingido (para maximizar a autonomia de cruzeiro puramente elétrica) e então permanece apenas marginalmente acima da potência de acionamento requerida (ou seja, + 1 kW). Para reduzir as emissões de ruído na operação real de condução para praticamente abaixo do nível de ruído de fundo, uma estratégia operacional potencial é acionar o ampliador de autonomia somente em casos excepcionais (tais como em níveis muito baixos de carga da bateria) se a demanda de potência estiver abaixo de 5 kW ou se a velocidade do veículo estiver abaixo de 45 km/h. Na condição padrão de operação, a potência de saída é ajustada proporcionalmente à velocidade do veículo.

A estratégia de operação permite ao veículo de demonstração ir além da autonomia de cruzeiro puramente elétrica de 70 km, adicionando mais de 400 km, com um total de menos de 45 g CO2/km. Isto corresponde a uma redução de CO2 de cerca de dois terços quando comparada com o bom número inicial do veículo básico. A chave aqui é a alta eficiência geral conseguida pelo powertrain MAHLE. Mais de 31% no melhor ponto no trem de força como um todo é um valor impressionante, especialmente se consideramos as desvantagens físicas de eficiência dos conceitos de propulsão híbridos seriais, com duas conversões adicionais de energia (da mecânica para a elétrica e, de volta, da elétrica para a mecânica). Embora a eficiência de um powertrain convencional, de cerca de 35% (gasolina) e acima de 40% (diesel) não possa ser superada por um REEV devido à natureza do sistema, com o powertrain da MAHLE a diferença é supreendentemente pequena.

Graças a esforços globais na direção de reduções ainda mais significativas no consumo de combustível e nas emissões, no futuro será usada uma ampla gama de diferentes powertrain dependendo da área de aplicação. Isto será particularmente devido à otimização contínua do já estabelecido motor de combustão interna. Na próxima década, powertrain puramente elétricos podem atingir uma fatia global de mercado de cerca de 5% no ambiente urbano, com veículos pequenos e compactos. Graças ao ampliador de autonomia, estes veículos aumentarão muito sua anteriormente limitada autonomia e, como um todo, reduzirão os custos como resultado do uso de baterias com menor capacidade de armazenamento. O ampliador de autonomia pode, portanto, tornar o powertrain elétrico muito mais atraente. Assim, com base em cenários internos para o powertrain, a MAHLE prevê que o ampliador de autonomia tem uma oportunidade realista junto aos veículos puramente elétricos nos próximos dez anos e, com este produto, está ativamente definindo o desenvolvimento contínuo futuro da mobilidade.